新能源汽車制動(dòng)系統(tǒng)解析(三)

◆文/江蘇 高惠民

(接上期)

二、集成動(dòng)力制動(dòng)模塊化與自動(dòng)駕駛

隨著車輛行駛穩(wěn)定程序系統(tǒng)(ESP)和安全帶、安全氣囊等被動(dòng)安全系統(tǒng)的引入，駕駛安全性得到了提高，道路交通死亡和嚴(yán)重傷害的情況在過(guò)去幾十年中不斷減少。但由于人們對(duì)個(gè)人移動(dòng)性的需求快速增加，這導(dǎo)致更高的交通密度，交通復(fù)雜性和對(duì)駕駛員的壓力越來(lái)越大。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，駕駛員仍然是事故的重要來(lái)源。為了進(jìn)一步提高駕駛安全性，并將駕駛員從車輛引導(dǎo)的復(fù)雜任務(wù)中解放出來(lái)，幾乎所有的汽車制造商和零件供應(yīng)商都全力投入到自動(dòng)駕駛(HAD)汽車的研發(fā)中。這些自動(dòng)駕駛新技術(shù)與減少CO和提高能源效率的電氣化相同，將在未來(lái)幾年內(nèi)推向市場(chǎng)。至少在幾個(gè)特定環(huán)境的用例中，車輛應(yīng)該能夠在沒(méi)有人類駕駛員幫助或指導(dǎo)的情況下提供駕駛能力。

根據(jù)車輛具備的自動(dòng)駕駛程度，美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)(Society of Automotive Engineers，SAE)將其劃分為L(zhǎng)0-L5的自動(dòng)駕駛等級(jí)。如圖20所示。若用“眼、手、腳”三個(gè)方面來(lái)判斷車輛的自動(dòng)駕駛程度，L0階段則需要駕駛員的“眼、手、腳”全部參與來(lái)操作汽車。隨著自動(dòng)駕駛程度的提高，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)逐漸提供更多的駕駛輔助功能，進(jìn)而能實(shí)現(xiàn)“脫腳”，“脫手”再到“脫眼”功能。

自動(dòng)駕駛汽車技術(shù)架構(gòu)如圖21所示。在自動(dòng)駕駛的子系統(tǒng)功能中，車輛制動(dòng)系統(tǒng)擔(dān)任了重要的角色。尤其是新型制動(dòng)系統(tǒng)需要為自動(dòng)駕駛提供主動(dòng)制動(dòng)、能量回收和車輛穩(wěn)定性控制等功能，同時(shí)在L3級(jí)別以上的自動(dòng)駕駛中，還對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)冗余備份功能提出了需求。

1.制動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)新技術(shù)

通過(guò)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的電氣化和對(duì)優(yōu)化能源效率的需求，新的制動(dòng)系統(tǒng)已被引入市場(chǎng)。除了傳統(tǒng)的真空伺服制動(dòng)系統(tǒng)外，還有新的節(jié)能制動(dòng)系統(tǒng)，如機(jī)電伺服制動(dòng)助力器(例如iBooster)。值得一提的是，第一代iBooster能與ESP+主動(dòng)蓄能器(Smart Actuator)組成3-Box方案，而第二代iBooster能與ESP配合組成2-Box方案,這兩種制動(dòng)系統(tǒng)方案能實(shí)現(xiàn)車輛的主動(dòng)制動(dòng)、能量回收及車輛縱、橫向穩(wěn)定性控制等功能，但是也存在著結(jié)構(gòu)不夠緊湊，單個(gè)部件不能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)壓力解耦等缺點(diǎn)。2017年，博世又推出了基于1-Box構(gòu)型的集成式動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)(Integrated Power Brake，IPB)，如圖22所示。該集成式動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)把制動(dòng)助力器、踏板感覺(jué)模擬器以及液壓調(diào)節(jié)單元都集成在一個(gè)單元中，能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)制動(dòng)助力、制動(dòng)踏板力與制動(dòng)液壓解耦和輪缸制動(dòng)壓力單獨(dú)控制等功能。與博世IPB相似的制動(dòng)系統(tǒng)還有大陸集團(tuán)推出高度集成化的電控助力制動(dòng)系統(tǒng)MK C1，圖23是MK C1在奧迪e-tron EV上應(yīng)用的結(jié)構(gòu)原理圖。該套系統(tǒng)將電機(jī)、踏板感覺(jué)模擬器、雙腔制動(dòng)主缸、電磁閥組成的液壓調(diào)節(jié)單元等裝置集成在一起，比傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)更加輕便，重量減輕30%。該系統(tǒng)建壓時(shí)間約為150ms，建壓時(shí)間縮短一倍以上，配備AEB功能的汽車有更加充足的時(shí)間對(duì)障礙物進(jìn)行檢測(cè)和確認(rèn)。由于制動(dòng)踏板和主缸沒(méi)有直接連接，為全解耦結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)100%的能量回收，應(yīng)用在電動(dòng)汽車上可以回收更多的電能來(lái)增加續(xù)航里程。將MK C1及MK 100相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)冗余功能。在正常情況下，常規(guī)制動(dòng)等功能由MK C1實(shí)現(xiàn)，制動(dòng)液壓力由MK 100液壓制動(dòng)擴(kuò)展系統(tǒng)傳遞，MK 100系統(tǒng)具有自檢性，保證系統(tǒng)完全可用。當(dāng)主制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障但閥體保持良好時(shí)，MK 100 HBE單元進(jìn)入?yún)f(xié)同制動(dòng)模式，制動(dòng)液被壓入MK C1的電磁閥中，使得后輪產(chǎn)生制動(dòng)力，這種功能保證了全自動(dòng)駕駛制動(dòng)系統(tǒng)的安全性。

2.集成式動(dòng)力制動(dòng)模塊(IPB)工作原理

如圖24所示，集成式動(dòng)力制動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)由儲(chǔ)液壺、雙腔制動(dòng)主缸、伺服缸、制動(dòng)踏板、踏板感覺(jué)模擬器、永磁同步電機(jī)、隔離閥以及四組進(jìn)、出液閥組成。在正常制動(dòng)助力模式時(shí)：駕駛員踩下制動(dòng)踏板，位移傳感器采集踏板位移信號(hào)，電控單元發(fā)出控制指令，隔離閥1、2、3、4、5均上電工作，此時(shí)隔離閥1、4關(guān)閉，隔離閥2、3、5打開，制動(dòng)液流經(jīng)隔離閥5進(jìn)入踏板感覺(jué)模擬器中，給予駕駛員合適的制動(dòng)踏板腳感。然后電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)減速增扭機(jī)構(gòu)推動(dòng)伺服缸活塞建壓，制動(dòng)液分別從隔離閥2、3流入四個(gè)輪缸中建立輪缸制動(dòng)壓力。在正常制動(dòng)助力模式下，隔離閥1、4上電關(guān)閉，阻斷了主缸和輪缸之間的液壓通路，同時(shí)利用被動(dòng)式踏板感覺(jué)模擬器給駕駛員適宜的制動(dòng)腳感，通過(guò)建立伺服缸壓力來(lái)完成輪缸建壓，這就達(dá)到了制動(dòng)踏板力和輪缸制動(dòng)壓力解耦的效果。同樣地，該構(gòu)型方案也具備失效備份模式，當(dāng)電控制動(dòng)系統(tǒng)失效時(shí)，所有電磁閥均不通電，此時(shí)駕駛員踩下制動(dòng)踏板，主缸中的制動(dòng)液流經(jīng)隔離閥1、4進(jìn)入四個(gè)制動(dòng)輪缸中，靠人力在輪缸建立制動(dòng)壓力，保證車輛具有一定的制動(dòng)減速度。根據(jù)法規(guī)ECE R13-H要求，系統(tǒng)應(yīng)產(chǎn)生不小于2.44m/s的制動(dòng)減速度。

集成式動(dòng)力制動(dòng)模塊的液壓驅(qū)動(dòng)單元中，使用高性能的永磁同步電機(jī)經(jīng)過(guò)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩轉(zhuǎn)化為輸出推桿柱塞的水平推力。減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了行星齒輪和絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖和行星齒輪實(shí)物圖如圖25所示。

行星齒輪傳動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)、傳動(dòng)效率高，在保證較大傳動(dòng)比的同時(shí)，可以大大減小傳動(dòng)機(jī)構(gòu)體積尤其是縮小機(jī)構(gòu)的徑向尺寸，確保了整體構(gòu)型的緊湊性，便于實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)的模塊集成。圖6中，電機(jī)輸出軸上的小齒輪是太陽(yáng)輪，同時(shí)也是行星齒輪機(jī)構(gòu)中的主動(dòng)件，行星架上有三個(gè)行星齒輪，外齒圈是固定不動(dòng)的。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)過(guò)行星齒輪的減速增扭作用，行星架作為被動(dòng)件輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。行星架與絲杠軸連接，因此電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)便轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)螺母的直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)伺服缸活塞建壓。該制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型使用的是膜片彈簧式踏板感覺(jué)模擬器，相比于傳統(tǒng)的圓柱螺旋彈簧式踏板感覺(jué)模擬器，膜片彈簧式能大大減少結(jié)構(gòu)體積，便于將踏板感覺(jué)模擬器集成到液壓調(diào)節(jié)單元中，縮小了整個(gè)電控制動(dòng)系統(tǒng)的體積。同時(shí)，通過(guò)使用多片剛度不同的膜片彈簧,對(duì)標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行更改，可以設(shè)計(jì)出踏板位移-減速度非線性曲線關(guān)系，從而得到和傳統(tǒng)真空制動(dòng)助力器類似的制動(dòng)腳感。

因制動(dòng)踏板解耦，無(wú)需過(guò)多考慮主缸制動(dòng)液量對(duì)踏板位移的影響，集成式動(dòng)力制動(dòng)模塊的主缸缸徑可比傳統(tǒng)制動(dòng)主缸直徑小，失效備份模式下，相同踏板力下系統(tǒng)產(chǎn)生壓力較高。在制動(dòng)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)過(guò)程中，制動(dòng)液體積(對(duì)應(yīng)主缸行程和缸徑)是一個(gè)需要著重注意的參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)需要同時(shí)考慮如下因素：

(1)失效備份模式下需達(dá)到2.44m/s的制動(dòng)減速度(涉及到踏板及基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)匹配)；

(2)車輛使用周期內(nèi)的系統(tǒng)變化(如摩擦片磨損，系統(tǒng)剛度變化，摩擦系數(shù)變化等)；

(3)傳感器測(cè)量誤差。

液壓調(diào)節(jié)單元中，電磁閥組可以分為兩類，一是負(fù)責(zé)液壓回路通斷的普通開關(guān)閥，如隔離閥1、2；二是負(fù)責(zé)壓力精確控制的線性電磁閥，四組進(jìn)、出液電磁閥均為線性電磁閥。隔離閥在工作時(shí)，只需要保持打開或者關(guān)閉的狀態(tài)，因此使用普通開關(guān)閥即能滿足要求。線性電磁閥的特點(diǎn)是能通過(guò)控制線圈電流值的不同保持電磁閥維持在不同的閥口開度，在需要進(jìn)行壓力精確控制的應(yīng)用工況，如車輛橫、縱向穩(wěn)定性控制和自動(dòng)泊車等具有重要的意義。

3.高度自動(dòng)駕駛對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的要求

由車輛自動(dòng)駕駛程度等級(jí)劃分可知，從輔助駕駛L1到完全自動(dòng)駕駛L5，駕駛員一步一步地?cái)[脫了責(zé)任。L2-L3的第一步是在特定的場(chǎng)景下(如泊車駕駛或公路駕駛)，駕駛員可以將駕駛的完整操作移交給自動(dòng)化系統(tǒng)，但駕駛員必須仍然坐在駕駛座上，如果制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障，則需要駕駛員隨時(shí)接管并在失效備份模式下將車?？吭诎踩貛?。

這是根據(jù)現(xiàn)有的法律要求(例如ECE R13-H)設(shè)計(jì)的“故障安全”模式。這意味著，制動(dòng)系統(tǒng)中的故障是可以允許的，因?yàn)轳{駛員是制動(dòng)系統(tǒng)失效備份設(shè)計(jì)的一部分，駕駛員在任何時(shí)候都有責(zé)任和能力控制制動(dòng)踏板。人力推動(dòng)制動(dòng)主缸液壓可以處理系統(tǒng)電氣故障，而不會(huì)失去調(diào)制減速的能力。從L3到L4/L5，系統(tǒng)要從“故障安全”制動(dòng)到“故障操作”的制動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)變化，駕駛員逐漸退出責(zé)任區(qū)域，且不必被要求坐在駕駛位。這樣，即使在故障發(fā)生時(shí)，也必須由車輛控制系統(tǒng)將車輛帶到到安全區(qū)域。對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，原來(lái)由駕駛員完成的操作，如何由車輛控制系統(tǒng)來(lái)完成，這就是對(duì)高級(jí)別自動(dòng)駕駛對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)提出的新問(wèn)題。

以駕駛員操作制動(dòng)系統(tǒng)得到車輛“故障安全”糾錯(cuò)的模型，推演得出對(duì)自動(dòng)駕駛制動(dòng)系統(tǒng)備份的功能和性能要求為：

(1)提供足夠制動(dòng)力(制動(dòng)減速度大于6.4m/s，覆蓋99%的制動(dòng)工況)；

(2)達(dá)到6.4m/s減速的的時(shí)間不超過(guò)1.5s(考慮駕駛員反應(yīng)時(shí)間和執(zhí)行時(shí)間)；

(3)防抱死性能(使車輛維持轉(zhuǎn)向能力)，ESP失效時(shí)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)需與人力操作實(shí)現(xiàn)的防抱死水平相當(dāng)對(duì)于縱向穩(wěn)定性，目前狀態(tài)下，ESP失效后，人力無(wú)法保證側(cè)向穩(wěn)定性，因此對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)也不做此要求。

通過(guò)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)要求的分析，在高級(jí)別自動(dòng)駕駛制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，功能降級(jí)是最為棘手的問(wèn)題，需要考慮制動(dòng)冗余設(shè)計(jì)，即在主制動(dòng)控制系統(tǒng)之外設(shè)置輔助制動(dòng)系統(tǒng)。不僅如此，系統(tǒng)還需具備如系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)，冗余控制，備份狀態(tài)和車輛穩(wěn)定性控制等拓展功能。

制動(dòng)系統(tǒng)功能冗余是以電子架構(gòu)為基礎(chǔ)的。對(duì)于電子架構(gòu)還必須防止可能影響主制動(dòng)系統(tǒng)和輔助制動(dòng)系統(tǒng)的共因故障。對(duì)此的解決方案是將功能和可用性的分離，如圖26所示。

4.帶有冗余制動(dòng)單元的IPB概念

對(duì)于高度自動(dòng)化的駕駛功能的實(shí)施，集成式動(dòng)力制動(dòng)模塊(IPB)必須通過(guò)冗余制動(dòng)單元(RBU)進(jìn)行擴(kuò)展，以保證車輛在所有單一故障條件下的主動(dòng)減速、縱向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向能力。

由于RBU僅在主制動(dòng)模塊(IPB)發(fā)生故障時(shí)才激活增壓，因此RBU在車輛使用期間的激活頻次非常低。因此，RBU與IPB的連接必須考慮表5中每項(xiàng)要求的重要性，使RBU對(duì)IPB功能和安全性的副作用應(yīng)該最小化。

圖27所示為IPB模塊擴(kuò)展冗余制動(dòng)單元(RBU)的合適解決方案。其主要優(yōu)點(diǎn)是：

(1)IPB核心功能不受影響，對(duì)IPB軟硬件的影響最?。?/p>

(2)從安全角度將IPB的副作用降至最低；

(3)能夠在四個(gè)車輪上施加液壓，以實(shí)現(xiàn)行車制動(dòng)器性能；

(4)保證縱向車輛穩(wěn)定性，預(yù)防車輪抱死和轉(zhuǎn)向能力；

(5)隨時(shí)通過(guò)踏板檢測(cè)駕駛員接管；

(6)無(wú)需在IPB和RBU之間共享功能(網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性低)；

(7)防止混合平臺(tái)(帶和不帶HAD)中自動(dòng)駐車制動(dòng)器(APB)的不同架構(gòu)；

(8)適用于HAD和非HAD車輛的可擴(kuò)展設(shè)計(jì)，工作量最小。

5.集成動(dòng)力制動(dòng)模塊化與自動(dòng)駕駛

乘用車的制動(dòng)系統(tǒng)與安全相關(guān)，因此用于高度自動(dòng)駕駛的制動(dòng)單元擴(kuò)展必須安全、可控和可靠。制動(dòng)單元擴(kuò)展必須獨(dú)立于主制動(dòng)單元，從而產(chǎn)生單獨(dú)的液壓?jiǎn)卧?，以滿足故障操作特性。如果主制動(dòng)單元發(fā)生故障，該輔助制動(dòng)單元必須接管駕駛員的角色和任務(wù)，以制動(dòng)車輛。如果人類駕駛員必須以機(jī)械備份方式操作車輛和制動(dòng)系統(tǒng)，則輔助單元必須能夠提供與駕駛員類似的功能范圍。盡管主制動(dòng)單元的可用性很高，但輔助制動(dòng)單元應(yīng)提供行車制動(dòng)性能和車輛的縱向穩(wěn)定。但是，根據(jù)駕駛員的能力，建議高度自動(dòng)化的駕駛功能應(yīng)調(diào)整其駕駛策略，以便在主制動(dòng)單元發(fā)生故障時(shí)更具防御性和安全性。集成動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)(IPB)的擴(kuò)展產(chǎn)生了冗余制動(dòng)單元(RBU)，要連接IPB和RBU，需要額外的液壓制動(dòng)管。通常，RBU僅在非常罕見(jiàn)的IPB單元出現(xiàn)故障時(shí)才處于活動(dòng)狀態(tài)。因此，RBU不應(yīng)該影響IPB的功能或安全性。上述帶有冗余制動(dòng)單元的IPB概念，RBU方法顯示了對(duì)IPB的功能和安全性的最小副作用。在模塊化套件的設(shè)計(jì)和差異中進(jìn)一步考慮了將RBU與IPB連接的附加端口。

經(jīng)常討論將RBU進(jìn)一步集成到IPB中。但是，IPB的所有組件都無(wú)法實(shí)現(xiàn)冗余的獨(dú)立性(例如，齒輪或密封件導(dǎo)致IPB系統(tǒng)發(fā)生泄露)，因此當(dāng)集成到一個(gè)盒子中時(shí)，單個(gè)故障可能會(huì)影響冗余的路徑，并最終導(dǎo)致高度自動(dòng)化車輛的制動(dòng)能力完全喪失。從今天的角度來(lái)看，這些組件的可靠性，無(wú)法以冗余方式實(shí)現(xiàn)。所以在進(jìn)行潛在的下一步集成之前，有必要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)確定有關(guān)這些潛在常見(jiàn)原因故障組件可靠性的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，以確保符合高度自動(dòng)駕駛功能的ASIL-D要求(ASIL表示汽車安全性等級(jí)。這是ISO26262標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)道路車輛的功能安全性定義的風(fēng)險(xiǎn)分類系統(tǒng),ASILD則代表最高程度的汽車危險(xiǎn))。